Agnieszka Ilnicka Opieka: dr Joanna Kiryluk prof. Barbara Badełek Piękny Spin Agnieszka Ilnicka Opieka: dr Joanna Kiryluk prof. Barbara Badełek

Plan prezentacji: Krótka historia spinu: Koncepcja Uhlenbecka - Goudsmitha Eksperyment Sterna – Gerlacha Współczesne eksperymenty spinowe: Spin jako laboratorium do odkrywania fizyki poza Modelem Standardowym - eksperyment g-2 w BNL Problem ze spinem nukleonu – eksperyment COMPASS Wykorzystanie spinu do mierzenia trudno otrzymywalnych wielkości – pomiary formfaktorów protonu w JLab

Koncepcja Uhlenbecka - Goudsmitha Przedstawiona w 1925 Próba zrozumienia anormalnego efektu Zeemana Wprowadzili pojęcie spinu do fizyki – jako wewnętrznego momentu pędu elektronu ‚This is a good idea. Your idea may be wrong, but since both of you are so young without any reputation, you would not lose anything by making a stupid mistake’ P.Ehrenfest Uhlenbeck, Kramers i Goudsmit

Eksperyment Sterna - Gerlacha Dobry eksperyment poparty złą teorią Przeprowadzony w 1921 Miał ostatecznie rozstrzygnąc między klasyczną i kwantową koncepcją Eksperyment w którym „objawił się” spin 𝜇 =−𝑔 𝑒 2𝑚 𝑗 𝐽 = 𝐿 + 𝑆 Au = [Kr]4 𝑑 10 5 𝑠 1 ↓ 𝐿 =0 𝐽 = 𝐿 + 𝑆 = 𝑆

Eksperyment Sterna - Gerlacha Wyniki z 1922 roku, z poprawionej aparatury. Widać w minimum po środku, a więc wiązka uległa rozszczepieniu!

Eksperymenty współczesne

Odkrywanie fizyki poza Modelem Standardowym przy pomocy spinu Pomiar ładunku słabego elektronu (SLAC E158) i protonu (JLab Qweak) Eksperymenty z elektrycznym dipolowym momentem neutronu (LANSCE) Mionowy eksperyment g-2 w BNL

Eksperyment g-2 w BNL 𝜇 =−𝑔 𝑒 2𝑚𝑐 𝑠 𝑎= 𝑔−2 2 𝜇 =−𝑔 𝑒 2𝑚𝑐 𝑠 𝑎= 𝑔−2 2 𝑎 𝜇 𝑆𝑀 = 𝑎 𝜇 (QED)+ 𝑎 𝜇 (weak)+ 𝑎 𝜇 (had) Poza SM QED weak had ~α/(2π) ~10-6 QED ~10-6 QED ~5•10-5 QED 𝑎 𝜇 (SM)=11659180(8)∙ 10 −10 −11659200(8)∙ 10 −10

Eksperyment g-2 w BNL

Eksperyment g-2 w BNL

Eksperyment g-2 w BNL Zwiększenie liczby zebranych przypadków Nowe zakrzywiające magnesy nadprzewodzące i osłony Instalacja magnesu maskującego tło od AGS Pozbycie się komplikacji związanych z koherentną oscylacją betatronową (CBO)

Eksperyment g-2 w BNL 𝑎 𝜇 (SM)=11659180(8)∙ 10 −10 −11659200(8)∙ 10 −10 𝑎 𝜇 (exp)=11656208(6)∙ 10 −10

Problem ze spinem nukleonu 1933 – zmierzony moment magnetyczny protonu: 𝜇 = 5.8 𝑒 2𝑚𝑐 𝑠 Eksperymenty niespolaryzowane DIS Nukleon ma wewnętrzną strukturę! Momenty magnetyczne kwarków walencyjnych sumują się do barionowych A jak jest ze spinem? Kryzys spinowy!

Problem ze spinem nukleonu

Problem ze spinem nukleonu Skąd się może wziąć spin nukleonu? Kwarki (walencyjne i morza) Gluony Moment orbitalny (kwarków i gluonów) 1 2 = 1 2 ∆Σ+ 𝐿 𝑞 +∆𝐺+ 𝐿 𝑔 EMC/SMC ~20% SMC/RHIC/ COMPASS mało Jak zmierzyć?

Eksperymenty badające spin nukleonu: EMC (∆Σ) SMC (∆Σ, ∆G) COMPASS (∆Σ, ∆G) HERMES (DESY) (∆Σ, ∆G) E142, E143, E154, E155 (SLAC) (∆Σ) RHIC (BNL) (∆G) CERN

Eksperyment EMC/SMC/COMPASS Spolaryzowane rozpraszanie głęboko nieelastyczne mionu na nukleonie: 𝜇𝑝→ 𝜇 ′ +𝑋 ∆Σ Pomiar asymetrii: μ(k) μ’(k’) 𝑄 2 =− 𝑞 2 𝑀 𝛾∗ 2 =𝑞 2 𝑄~ 1 λ γ*(q) q(xP) X p(P)

Eksperyment SMC/COMPASS Spolaryzowane rozpraszanie głęboko nieelastyczne mionów na nukleonie – zbierane informacje w koincydencji z innym zdarzeniem. ∆G SMC/HERMES/ COMPASS 𝜇𝑁→𝜇′+ ℎ + ℎ − ( 𝑝 𝑇 )+𝑋 𝜇𝑁→𝜇′+ℎ𝑎𝑑 𝑐 +𝑋 COMPASS PGF X

Eksperyment EMC/SMC/COMPASS Układ eksperymentalny: 𝑆 𝜇 Spolaryzowana tarcza 3cm Wiązka μ 130cm DNP Polaryzacja: 𝑃= 𝑁 ↑ − 𝑁 ↓ 𝑁 ↑ + 𝑁 ↓ P=0% P=90%

Eksperyment COMPASS Jak się tworzy spolaryzowaną tarczę? Metoda dynamicznej polaryzacji jądrowej (DNP)

Eksperyment COMPASS Identyfikacja produktów rozpadów cięzkich kwarków D0→πK D* → D0 π → π π K Odtwarzanie kinematyki rozproszonych mionów

Eksperyment COMPASS

Wykorzystanie spinu do mierzenia trudno otrzymywalnych wielkości Wkład kwartów s do elektromagnetycznych formfaktorów nukleonów (JLab) Gęstość neutronów w cięzkich jądrach Pomiar iloczynu formfaktorów protonu (JLab)

Pomiar iloczynu formfaktorów za pomocą przenoszenia polaryzacji:

Pomiar iloczynu formfaktorów za pomocą przenoszenia polaryzacji: 𝑄 2 →0 𝐺 𝐸 𝑝 =1; 𝐺 𝐸 𝑛 =0; 𝐺 𝑀 𝑝 = 𝜇 𝑝 ; 𝐺 𝑀 (𝑛)= 𝜇 𝑛 Można przybliżać formfaktorem dipolowym: 𝐺 𝐷 ≡ 1+ 𝑄 2 0.71 −2 ; 𝐺 𝑀 ≅𝜇 𝐺 𝐷 ; 𝐺 𝐸 ≅ 𝐺 𝐷 Formfaktor – transformata Fouriera rozkładu ładunku lub magnetyzowalności 𝐺 𝐸 ( 𝑞 )= 𝑒 −𝑖𝑞𝑥/ћ 𝜌(𝑥) 𝑑 3 𝑥 𝐺 𝑀 ( 𝑞 )= 𝑒 −𝑖𝑞𝑥/ћ 𝑚(𝑥) 𝑑 3 𝑥

Pomiar iloczynu formfaktorów za pomocą przenoszenia polaryzacji:

Pomiar iloczynu formfaktorów za pomocą przenoszenia polaryzacji: Rozpraszanie elastyczne 𝒆 𝒑→𝒆 𝒑 e’ (E’,k’ ) 𝑝 ( 𝐸 𝑜 , 𝑘 0 ) γ (ν,q ) 𝑒 (E,k ) p(M )

Pomiar iloczynu formfaktorów za pomocą przenoszenia polaryzacji: Co mierzy się w eksperymencie? Przekrój czynny (σ) Składowe polaryzacji wybitych protonów(Pl, Pt ) 𝐺 𝐸 𝐺 𝑀 ∝ 𝑃 𝑡 𝑃 𝑙

Pomiar iloczynu formfaktorów za pomocą przenoszenia polaryzacji: Rozkład ładunku oraz magnetyzowalności w protonie znacznie się różni!

Podsumowanie: Wiele eksperymentów spinowych Badanie spinu samego w sobie Wykorzystywanie spinu do badania właściwości materii i testowania modeli teoretycznych

Dziękuję za uwagę! 

Pomiar iloczynu formfaktorów za pomocą przenoszenia polaryzacji: ~σ